¿Los libros antiguos describen los agujeros negros?
En aquel momento, el nombre de "agujero negro" aún no había surgido. Se llamaba "Singularidad Schwarzschild", que era muy diferente a su reputación actual. Einstein, Eddington y otras grandes figuras de la teoría general de la relatividad la consideran una falsa continuación de las "estrellas oscuras" de hace más de 200 años.
Desde las especulaciones de 1783 hasta los debates de 1916 a 1960, los físicos han estado discutiendo la cuestión de si existen los agujeros negros.
En la acalorada discusión, el agujero negro estableció gradualmente su lugar de café cósmico. Aunque ha encontrado demasiados malentendidos en los últimos cientos de años, todavía ha entrado con gracia en el campo de visión de los físicos de hoy y se ha vuelto cada vez más popular entre la gente.
¿Qué malentendidos tenemos sobre los agujeros negros desde el primer encuentro? ¿Cómo lo vemos ahora?
En 1783, un hombre británico disparó un tiro al cielo en un planeta imaginario. La velocidad de la bala de cañón que salía de la sala era de 300.000 kilómetros por segundo...
Este hombre era. El filósofo natural británico John Linkewei. Combinó audazmente la entonces popular teoría de las partículas ligeras con la ley de gravedad de Newton y realizó un experimento mental en una capa ligera.
La gente ya sabía en ese momento que, aunque todos estamos sujetos a la gravedad de la Tierra, siempre que la velocidad sea lo suficientemente alta, podemos escapar de la gravedad de la Tierra. La velocidad inicial mínima que puede escapar de esta restricción se llama "velocidad de escape". En la superficie de la Tierra, esta velocidad es de 11,2 km/s.
Por el contrario, si la velocidad no alcanza la velocidad de escape, el objeto será arrastrado hacia abajo por la gravedad.
Michel utilizó la ley de gravedad de Newton para demostrar que el cuadrado de la velocidad de escape de un cuerpo celeste es directamente proporcional a su masa e inversamente proporcional a su radio. Cuanto menor sea el radio de masa constante, mayor será la velocidad de escape del cuerpo celeste.
Si se puede comprimir el radio de un planeta, la velocidad de escape puede superar los 300.000 kilómetros/segundo, lo que significa que el planeta impide que la luz escape. En un planeta así, la capa luminosa de Michelle nunca llegaría al espacio.
Tomemos la tierra como ejemplo, siempre que se comprima en un radio de sólo 1/3 de pulgada, el tamaño de una semilla de chocolate, se producirá este efecto.
¿Es posible que exista un planeta de tan alta densidad? Michelle cree que es posible. Incluso creía que había una gran cantidad de planetas invisibles en el cielo nocturno, a los que llamaba "estrellas oscuras". Este es el concepto más antiguo y primitivo de agujeros negros.
1783 165438+El 27 de octubre, Michel informó a la Royal Society la predicción de estrellas oscuras. Exactamente 13 años después, el filósofo natural francés Pierre-Simon Laplace hizo la misma predicción en la primera edición de su famoso libro "La sistemática del universo".
Pero en 1808, Thomas Young descubrió el fenómeno de interferencia de la luz por doble rendija, que hizo que la balanza de la "lucha onda-partícula" óptica se inclinara hacia la teoría ondulatoria propuesta por Christiann Huygens. El estatus dominante de la teoría de las partículas ligeras de Newton fue reemplazado por la teoría de la fluctuación de la luz.
Las partículas de luz, que se veían afectadas por la gravedad como las conchas, se convirtieron en ondas de luz que parecían no verse afectadas por la gravedad (en ese momento, la gente no sabía qué efecto tendría la gravedad sobre las ondas de luz). Probablemente por esta razón, la descripción de las estrellas oscuras fue eliminada de la tercera edición de la Teoría del sistema cósmico de Laplace. El concepto de Dark Star quedó en silencio y a nadie le importó.
No fue hasta 100 años después que Einstein equilibró el equilibrio teórico de la óptica, puso fin a la "batalla onda-partícula" de la luz y desarrolló la "dualidad onda-partícula" de la luz.
En el mes de 1915438+01 nació la teoría general de la relatividad, que permitió a los físicos restablecer la comprensión de la gravedad de la luz, pero esta vez se utilizó el concepto de "curvatura espacio-temporal". . La gravedad es la curvatura intuitiva del espacio y el tiempo. La luz y todos los objetos deben realizar movimientos "de corta duración" en el espacio y el tiempo sin fuerza externa.
Se puede decir que la llamada "línea corta" es el camino más corto real en el tiempo y el espacio, mientras que la "línea recta" diaria es más una definición sensorial.
Menos de un año después de la publicación de la teoría general de la relatividad. En 1916, la predicción de la estrella oscura de Michel y Laplace se manifestó físicamente de una manera aún más extraña a través de las manos de un capitán de artillería alemán: Karl Schwarzschild.
Schwarzschild, que en ese momento todavía estaba acurrucado en las trincheras del frente ruso, abandonó el complejo problema de la rotación celeste de una manera concisa y efectiva, y calculó la curvatura del espacio-tiempo dentro y fuera de cualquier cuerpo celeste esférico no giratorio basado en las ecuaciones de campo de la relatividad general, se obtuvo una solución precisa que describe el agujero negro.
Con la velocidad de la luz como velocidad de escape, cualquier cuerpo celeste tiene un radio de Schwarzschild, que corresponde exactamente a la circunferencia crítica de las estrellas oscuras calculada por Michel y Laplace. Sin embargo, debido a la bendición del concepto de "curvatura espacio-temporal", la curvatura del espacio significa que la luz no puede escapar, y la curvatura del tiempo también significa que el flujo del tiempo se ralentiza (efecto de dilatación del tiempo).
Sin embargo, Einstein estaba muy insatisfecho con la idea de que un cuerpo celeste colapsara en una singularidad después de ser comprimido al radio de Schwarzschild.
Si bien Einstein apreciaba la curvatura del espacio-tiempo calculada por Schwarzschild, no creía que existiera una "singularidad de Schwarzschild" en la naturaleza. Al fin y al cabo, no existe ningún cuerpo celeste que no gire. Combinado con su ignorancia del colapso estelar, Einstein negó dogmáticamente esta propiedad racional de la relatividad general.
En 1939, Einstein incluso publicó un artículo especial sobre el cálculo de la relatividad general para explicar por qué la "singularidad de Schwarzschild" no puede existir en la naturaleza.
Supuso un grupo de partículas en movimiento atraídas por la gravedad y luego demostró mediante cálculos que a medida que el grupo se acerca más y más, la gravedad en la esfera aumentará para que las partículas que se mueven en la esfera. producir suficiente fuerza centrífuga tiene que acelerar el movimiento.
Pero cuando este grupo tenga menos de 1,5 veces el perímetro crítico, la gravedad se volverá muy grande y las partículas en la superficie superarán la velocidad de la luz. Por lo tanto, el enjambre de partículas no puede ser menor que 1,5 veces el valor crítico.
Einstein incluso calculó la presión interna de un cuerpo celeste y concluyó que cuando la circunferencia de un cuerpo celeste se comprime a 1,125 veces la circunferencia crítica, la presión en el centro se volverá infinita, pero la presión infinita no puede existir. Por tanto, un cuerpo celeste no puede ser menor que 1,1,25 veces la circunferencia crítica.
Los cálculos de Einstein eran correctos, pero su comprensión era errónea. Esto se debe a que los físicos de aquella época tenían un concepto tendencioso: para que un cuerpo celeste exista, debe equilibrar las fuerzas internas y externas. Sin embargo, el hecho es que la fuerza interna puede descartarse.
En esta batalla por comprender los agujeros negros, la intuición de Einstein que le ayudó a comprender la gravedad obstaculizó su comprensión de los agujeros negros. Se puede observar que a veces el resultado correcto no conduce necesariamente a la respuesta correcta.
Desde los años 1920 hasta los años 1950, la investigación de los físicos sobre la "singularidad de Schwarzschild" en realidad sólo se centró en una pregunta: ¿Se permite que tal objeto exista en la naturaleza?
No fue hasta finales de la década de 1960 que el matemático Kerr calculó una solución precisa para un agujero negro en rotación. La comunidad astronómica hizo más descubrimientos en la observación de los agujeros negros y la evidencia que respalda la existencia de los agujeros negros. Comenzó a abrumar todas las dudas. En 1967, el físico estadounidense John Archibald Wheeler lo llamó oficialmente "agujero negro". La mayoría de los físicos están empezando a tomarse en serio los agujeros negros.
Antes de la década de 1960, la gente utilizaba principalmente la relatividad general para estudiar la estructura espacio-temporal de los agujeros negros. Los principales resultados de la investigación sobre la física de los agujeros negros en esta época pertenecen a la teoría clásica de los agujeros negros.
Por ejemplo, en 1967, Werner Israel demostró el teorema del pelo, que estipula que el horizonte debe ser completamente liso. A partir de este teorema también se puede deducir que los agujeros negros sólo están determinados por tres cantidades físicas: masa, momento angular y carga, y avanzar al "Teorema de los Tres Pelos".
Y en 1971, Hawking demostró el "teorema del área" de los agujeros negros, es decir, el área del horizonte activo del agujero negro nunca disminuye en la secuencia temporal. Esto significa que los agujeros negros sólo pueden fusionarse, nunca separarse. En aquella época, Hawking también demostró que la temperatura de los agujeros negros es el cero absoluto basándose en la teoría clásica, pero esto fue posteriormente refutado por él mismo.
Después de la década de 1960, los agujeros negros comenzaron a estudiarse en la nueva dirección de la termodinámica.
Inspirándose en el concepto de entropía de los agujeros negros del físico israelí Jacob Bekenstein, Hawking propuso en 1974 la "radiación de Hawking", que es la radiación producida cerca del agujero negro debido a las fluctuaciones del vacío que pueden formar pares de partículas virtuales. separados por un horizonte de sucesos, con una partícula virtual cayendo en el agujero negro y la otra escapando con éxito y convirtiéndose en una partícula real.
Para un observador lejano, esto parece un agujero negro irradiando. Y debido a que la estructura espacio-temporal dentro y fuera del agujero negro es diferente, la mayoría de las partículas que caen son partículas negativas, por lo que el agujero negro perderá masa debido a la radiación de Hawking. La radiación también significa que el agujero negro tiene temperatura.
Un agujero negro con una masa 5 veces la del Sol tiene una temperatura teórica de unos 10-7K. Tardaría 10 62 años en desaparecer sin comer ni beber. La temperatura de un agujero negro es inversamente proporcional a su masa, por lo que cuanto menor es la masa, más fuerte es la radiación, mayor es la temperatura y más corta es la vida.
Se puede decir que la aparición de la radiación de Hawking abrió la investigación en el campo cuántico de los agujeros negros. Un agujero negro se evaporará, lo que significa que la información que consume desaparecerá algún día, algo que la mecánica cuántica no permite. Para combatir la paradoja de la información de los agujeros negros, surgieron el principio de complementariedad y el principio de holografía, lo que condujo a la paradoja del muro de fuego del agujero negro.
Hasta ahora, cómo abordar estas paradojas sigue siendo un misterio.
En resumen, las características específicas del agujero negro nacido en la teoría general de la relatividad deben ser descritas por la mecánica cuántica, y Einstein siempre ha cuestionado la mecánica cuántica, que puede ser la razón por la que se resistió a los agujeros negros. en primer lugar.
Sin embargo, debido a esto, los físicos están cada vez más fascinados por los agujeros negros, porque en el campo de la investigación de los agujeros negros, los físicos parecen haber encontrado una manera de combinar la relatividad general y la mecánica cuántica, las dos Grandes teorías de la física del siglo XX. La posibilidad de combinar logros.
Para alcanzar el santo grial de la física, el "principio de todo" (es decir, una teoría única que explique todos los fenómenos físicos), una comprensión profunda de los agujeros negros es un paso crucial.